一種仿生機(jī)器魚用測(cè)量平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種仿生機(jī)器魚用測(cè) 量平臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科技的不斷進(jìn)步，仿生學(xué)發(fā)展極為迅速，其中仿生機(jī)器魚是水下機(jī)器魚中較 為常用的一種，由于實(shí)驗(yàn)空間的范圍有限，高速相機(jī)的視場(chǎng)無(wú)法覆蓋整個(gè)水槽，為了確保機(jī) 器魚整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程都處在高速相機(jī)的視野內(nèi)，以滿足相關(guān)實(shí)驗(yàn)研宄的需要，需要設(shè)計(jì)一種 基于視覺(jué)跟蹤的X-Y雙坐標(biāo)測(cè)量平臺(tái)，采用序列圖像法來(lái)獲得機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)據(jù)，作 為控制移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)的依據(jù)，通過(guò)機(jī)器魚重心位置的變化求得機(jī)器魚相對(duì)移動(dòng)臺(tái)的相對(duì)速 度，最后將獲得的相對(duì)速度傳遞給滾珠絲杠移動(dòng)臺(tái)的相應(yīng)的伺服電機(jī)，帶動(dòng)平臺(tái)上方攝像 頭移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚的實(shí)時(shí)跟蹤，從而方便對(duì)仿生機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)研宄。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 針對(duì)以上問(wèn)題，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種仿生機(jī)器魚測(cè)量平臺(tái)，該測(cè)量平臺(tái)是基于視 覺(jué)跟蹤的X-Y雙坐標(biāo)測(cè)量平臺(tái)，其采用序列圖像法來(lái)獲得機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)據(jù)，作為控 制移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)的依據(jù)，通過(guò)機(jī)器魚重心位置的變化求得機(jī)器魚相對(duì)移動(dòng)臺(tái)的相對(duì)速度，最 后將獲得的相對(duì)速度傳遞給滾珠絲杠移動(dòng)臺(tái)的相應(yīng)的伺服電機(jī)，帶動(dòng)平臺(tái)上方攝像頭移 動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚的實(shí)時(shí)跟蹤，進(jìn)而方便對(duì)仿生機(jī)器魚進(jìn)行運(yùn)動(dòng)研宄，為達(dá)此目的，本實(shí)用新型 提供一種仿生機(jī)器魚用測(cè)量平臺(tái)，包括底座、底部支架、導(dǎo)軌支架、吊架、橫向絲桿固定座、 固定架、高速相機(jī)、USB攝像頭、橫向運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)、橫向絲桿、活動(dòng)支架、縱向運(yùn)動(dòng)控制電 機(jī)、吊架活動(dòng)固定座、縱向絲桿和縱向絲桿固定座，所述底座固定在水槽一側(cè)，所述底座靠 水槽一側(cè)的側(cè)邊上方有條形的底部支架，所述底部支架內(nèi)有橫向貫通的U型卡槽，所述底 部支架的兩個(gè)側(cè)邊上各固定有一條導(dǎo)軌支架，所述底部支架的U型卡槽內(nèi)有橫向運(yùn)動(dòng)控制 電機(jī)，所述橫向運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸器與橫向絲桿一端相連，所述橫向絲桿另一 端的端部固定在橫向絲桿固定座的通孔內(nèi)，所述橫向絲桿固定座底部固定在底部支架的U 型卡槽內(nèi)，所述活動(dòng)支架在導(dǎo)軌支架的導(dǎo)軌上，所述活動(dòng)支架沿導(dǎo)軌支架的導(dǎo)軌橫向運(yùn)動(dòng)， 所述橫向絲桿固定座穿過(guò)活動(dòng)支架底部的螺紋孔，所述活動(dòng)支架內(nèi)有縱向貫通的U型卡 槽，所述活動(dòng)支架的兩個(gè)側(cè)邊上均有導(dǎo)軌，所述活動(dòng)支架的U型卡槽內(nèi)有縱向運(yùn)動(dòng)控制電 機(jī)，所述縱向運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過(guò)聯(lián)軸器與縱向絲桿一端相連，所述縱向絲桿另一端 的端部固定在縱向絲桿固定座的通孔內(nèi)，所述縱向絲桿固定座底部固定在活動(dòng)支架的U型 卡槽內(nèi)，所述吊架活動(dòng)固定座在活動(dòng)支架的導(dǎo)軌上，所述吊架活動(dòng)固定座沿活動(dòng)支架的導(dǎo) 軌縱向運(yùn)動(dòng)，所述活動(dòng)支架上固定有L型的吊架，所述吊架上方的伸出端朝水槽一側(cè)，所述 吊架上方的伸出端的下方有固定架，所述固定架朝外一側(cè)固定安裝有高速相機(jī)，所述固定 架另一側(cè)固定安裝有USB攝像頭。
[0004] 作為本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn)，所述底部支架的U型卡槽內(nèi)有橫向絲桿限位座，所 述橫向絲桿穿過(guò)橫向絲桿限位座的通孔，所述活動(dòng)支架的U型卡槽內(nèi)有縱向絲桿限位座， 所述縱向絲桿穿過(guò)縱向絲桿限位座的通孔，為了防止絲桿工作過(guò)程中發(fā)生抖動(dòng)可設(shè)置限位 座。
[0005] 作為本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn)，所述吊架的彎折部?jī)?nèi)有加強(qiáng)支撐板，為了提高彎折 部強(qiáng)度可設(shè)置加強(qiáng)支撐板。
[0006] 本實(shí)用新型一種仿生機(jī)器魚用測(cè)量平臺(tái)的使用方法，具體步驟如下：
[0007] 步驟一：使用USB攝像頭拍攝仿生機(jī)器魚的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后進(jìn)行視頻圖像數(shù)據(jù)采 集；
[0008] 步驟二；對(duì)視頻圖像數(shù)據(jù)采集后的數(shù)據(jù)通過(guò)序列圖像法處理獲得運(yùn)動(dòng)參數(shù)；
[0009] 具體處理方式如下：
[0010] 1)對(duì)USB攝像頭采集的視頻圖像像素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)讀?。?br>[0011] 2)對(duì)所得到的序列圖像進(jìn)行預(yù)處理，先通過(guò)灰度化將所拍攝到的彩色圖像變成以 256色灰度表示的灰度圖像，再進(jìn)行二值化處理獲得機(jī)器魚的位置信息；
[0012] 3)對(duì)預(yù)處理過(guò)后的序列圖像采用區(qū)域生長(zhǎng)算法分割出機(jī)器魚目標(biāo)區(qū)域；
[0013] 4)基于圖像分割的目標(biāo)特征提取，并計(jì)算出重心位置的坐標(biāo)變化；
[0014] 5)在生長(zhǎng)區(qū)域完成之后，原先二值化圖像處理之后置為1的區(qū)域，被依據(jù)連通性 分成了不同的子區(qū)域，并設(shè)置了不同標(biāo)記，根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，機(jī)器魚就是最大的一個(gè)子 區(qū)域，該區(qū)域的重心可近似的當(dāng)成機(jī)器魚的重心，在單位時(shí)間內(nèi)，根據(jù)計(jì)算重心位置的變 化，從而求得機(jī)器魚相對(duì)移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度；
[0015] 步驟三：通過(guò)串口將處理好的運(yùn)動(dòng)參數(shù)發(fā)送給PC機(jī)；
[0016] 步驟四：上位機(jī)發(fā)送命令給PMAC卡；
[0017] 步驟五：移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)跟蹤目的。
[0018] 作為本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn)，采用的圖像灰度化公式為：，其中R-該像素紅色分 量的值；G-該像素綠色分量的值；B-該像素藍(lán)色分量的值，本實(shí)用新型采用以上常用的 灰度化公式對(duì)圖案進(jìn)行灰度化處理。
[0019] 作為本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn)，步驟二中二值化處理方式如下：
[0020] 處理過(guò)程中根據(jù)下列的閾值處理來(lái)進(jìn)行：
[0021]
[0022] 而對(duì)于閾值的選取，使用迭代的方法來(lái)求最佳閾值分割圖像，步驟如下：
[0023] ( 1)選取初始閾值I；，選擇整幅圖像的平均灰度值作為初始閾值；
[0024] (2)用I；分割圖像，將圖像分割成兩個(gè)區(qū)域M:和M2，Mi為灰度值大于T^的像素組 成的前景區(qū)域，M2為灰度值小于T^的像素組成的背景區(qū)域；
[0025] (3)計(jì)算兩區(qū)域，Mi區(qū)域和^區(qū)域的所有像素的平均灰度值，其中NJPN2分別為 這兩區(qū)域的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，表示圖像中點(diǎn)的灰度值；
[0026]
[0027] (4)再計(jì)算新的閾值T1;
[0028]
[0029] (5)比較初始閾值和新的閾值，求出它們的差A(yù)T;
[0030]
[0031] (6)當(dāng)，&為預(yù)先規(guī)定的一個(gè)很小的正數(shù)，即迭代過(guò)程中前后兩次的閾值 很接近，迭代停止，否則重復(fù)（2)- (4)過(guò)程，最后的1\即為所求的最佳閾值，本實(shí)用新型需 要對(duì)圖形進(jìn)行二值化處理，可采用以上處理方法進(jìn)行處理。
[0032] 作為本實(shí)用新型進(jìn)一步改進(jìn)，步驟二中區(qū)域生長(zhǎng)算法如下：先選擇步長(zhǎng)為10的遍 歷方法判斷尋找種子點(diǎn)，對(duì)于像素點(diǎn)（x，y)判斷其是否為種子點(diǎn)，如果不是令X=X+10,判 斷是否越界，如果不越界重新進(jìn)行種子點(diǎn)判斷，如果越界令y=y+l〇,判斷是否越界，如果不 越界重新進(jìn)行種子點(diǎn)判斷，如果再越界結(jié)束判斷，如果判斷到是種子點(diǎn)，記錄下此像素點(diǎn)坐 標(biāo)，并標(biāo)記此點(diǎn)；
[0033] 再進(jìn)行區(qū)域增長(zhǎng)，記錄種子點(diǎn)附近所有符合的點(diǎn)，組成子區(qū)域，并處理子區(qū)域橫縱 坐標(biāo)值，計(jì)算出此區(qū)域的重心位置坐標(biāo)，本實(shí)用新型區(qū)域生長(zhǎng)算法可采用以上算法，以上算 法，算法精簡(jiǎn)，可以快速判斷種子點(diǎn)。
[0034] 本實(shí)用新型通過(guò)設(shè)計(jì)一種仿生機(jī)器魚測(cè)量平臺(tái)，其將高速相機(jī)和普通的USB攝像 頭相鄰固定在滾珠絲杠移動(dòng)平臺(tái)上，USB攝像頭所能采集圖像的范圍就是USB攝像頭拍攝 的視野，調(diào)整X-Y雙坐標(biāo)移動(dòng)臺(tái)的位置使USB攝像頭拍攝的視野覆蓋整個(gè)機(jī)器魚，即此跟蹤 系統(tǒng)的跟蹤目標(biāo)。在USB拍攝的視野中，用USB攝像頭采集機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)圖像，然后系統(tǒng)對(duì)圖 像進(jìn)行處理，根據(jù)圖像中機(jī)器魚重心位置的變化求得機(jī)器魚相對(duì)移動(dòng)臺(tái)的相對(duì)速度，最后 將獲得的相對(duì)速度傳遞給滾珠絲杠移動(dòng)臺(tái)的相應(yīng)的伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚的實(shí)時(shí)跟蹤，從而 確保機(jī)器魚整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程都處在高速相機(jī)的視場(chǎng)里，該測(cè)量平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)， 穩(wěn)定性高的特點(diǎn)，適合于小型實(shí)驗(yàn)室使用。
【附圖說(shuō)明】
[0035] 圖1是本實(shí)用新型示意圖；
[0036] 圖2是本實(shí)用新型工作流程示意圖；
[0037] 圖3是本實(shí)用新型圖像處理流程不意圖；
[0038] 圖4是本實(shí)用新型圖像采集流程示意圖；
[0039] 圖5是本實(shí)用新型步驟二尋找種子點(diǎn)示意圖；
[0040] 圖6是本實(shí)用新型步驟二計(jì)算重心坐標(biāo)示意圖；
【附圖說(shuō)明】 [0041] ：
[0042] 1、底座； 2、底部支架； 3、導(dǎo)軌支架；
[0043] 4、吊架； 5、加強(qiáng)支撐板； 6、橫向絲桿固定座；
[0044] 7、固定架； 8、高速相機(jī)； 9、USB攝像頭；
[0045] 10、橫向運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)；11、橫向絲桿； 12、活動(dòng)支架；
[0046] 13、縱向運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)；14、吊架活動(dòng)固定座；15、橫向絲桿限位座；
[0047] 16、縱向絲桿； 17、縱向絲桿限位座；18、縱向絲桿固定座。
【具體實(shí)施方式】
[0048] 以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)實(shí)用新型做詳細(xì)的說(shuō)明：
[0049] 本實(shí)用新型設(shè)計(jì)一種仿生機(jī)器魚測(cè)量平臺(tái)，該測(cè)量平臺(tái)是基于視覺(jué)跟蹤的X-Y雙 坐標(biāo)測(cè)量平臺(tái)，其采用序列圖像法來(lái)獲得機(jī)器魚運(yùn)動(dòng)參數(shù)的數(shù)據(jù)，作為控制移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)的 依據(jù)，通過(guò)機(jī)器魚重心位置的變化求得機(jī)器魚相對(duì)移動(dòng)臺(tái)的相對(duì)速度，最后將獲得的相對(duì) 速度傳遞給滾珠絲杠移動(dòng)臺(tái)的相應(yīng)的伺服電機(jī)，帶動(dòng)平臺(tái)上方攝像頭移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)魚的實(shí) 時(shí)跟蹤，進(jìn)而方便對(duì)仿生機(jī)器魚進(jìn)行運(yùn)動(dòng)研宄。
[0050] 作為本實(shí)用新型一種具體實(shí)施例，本實(shí)用新型提供如圖1所示的一種仿生機(jī)器魚 用測(cè)量平臺(tái)，包括底座1、底部支架2、導(dǎo)軌支架3、吊架4、橫向絲桿固定座6、固定架7、高速 相機(jī)8、USB攝像頭9、橫向運(yùn)動(dòng)控制電機(jī)10、橫向絲桿11、活動(dòng)支架12、縱向運(yùn)動(dòng)控制電機(jī) 13、吊架活動(dòng)固定座14、縱向絲桿16和縱向絲桿固定座18,所述底座1固定在水槽一側(cè)，所 述底座1靠水槽一側(cè)的側(cè)邊上方有條形的底部支架2，所述底部支架2內(nèi)有橫向貫通的U型 卡槽，所述底部支架2